基于末端无线智能压力监测技术在供水系统中的应用

厉泽辉LI Ze-hui

（杭州文拓智能科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

供水系统是城市基础设施的关键组成部分，旨在满足居民、商业和工业的日常用水需求。供水系统的稳定性也受到多重因素的影响，主要涵盖了城市人口的增长、城市化进程的加速、水资源的可持续性以及现代技术的应用。随着城市化的推进，人口不断膨胀，对供水系统提出了更高质量、更稳定供水的要求。

供水系统作为现代城市基础设施的重要组成部分，其管道压力问题在供水系统的运行中至关重要，管道压力直接影响水的顺利输送、合理分配以及最终用户的用水体验[1]。因此，维护合适的管道压力对于保障供水系统的正常运行和居民生活的舒适体验具有重要意义。

供水系统在快速城市化、不断增长的人口压力下，必须充分考虑水资源的可持续性，借助现代技术的创新，同时关注管道压力的合理调控，以确保城市居民持续享受到稳定、高质量的供水服务，促进城市可持续发展。

目前，小区供水多数采用恒压控制模式，即通过PID算法调节泵出口压力为恒定保持不变。该控制模式仅能适应小区用水波动不大且水管网路压降接近的情况下具有较好的用水体验，但是，实际生活中小区内的水管网路各异，并用水具有分时段特性，造成低用水量时，管网上存在压力富裕，不但造成能量浪费，更会增加管道运营风险与漏损，高用水量时，管网上压力偏低，造成高层用户水量偏小。

本文针对传统供水缺乏状态预测功能，依托大数据分析，采用末端压力最优为控制目标，并结合大数据分析，周期性调整泵房供水压力的控制策略，降低了供水能耗，增加了管路安全，为节水、节能提供一种新的解决方案。

1 系统设计

供水系统远程压力调控策略是由数据中心根据水管管网末端压力，结合历史用水情况，综合判断，下发压力控制策略到二次加压泵站的水泵机组控制系统，系统将以小时为最小单位调整策略。整个系统包括：无线智能压力表，数据云平台，无线智能终端[2]。供水系统管道压力监测与调控流程图如图1 所示。

图1 供水系统管道压力监测与调控流程图

2 无线智能压力表

2.1 末端安装

传统的压力传感装置通常通过有线传输数据或人工读数的方式来实现，然而，由于电源供应或数据传输等问题，大多数传感装置被安装在泵房或水源前端区域，这样的布置方式在末端用水体验和用水压力监测等方面存在一些局限性。为了确保最为准确的末端供水压力监测，需采用无线智能压力表，直接安装在供水管道的末端或者用水的最不利点，无线智能压力表的应用不仅消除了传统布线所带来的复杂性，还能够有效减少数据传输的延迟，从而提供了更加准确可靠的数据源。

2.2 实时压力和温度值监测

实时压力和温度值监测是通过内置的高精度压力传感器和温度传感器来实现的。精密传感器具备高度准确捕捉供水管道末端压力和温度变化的能力，可捕捉微小的压力波动，即便在供水系统高峰负荷或紧急情况下，也能准确记录压力变化，与之相辅相成的内置温度传感器则持续监测管道内温度变化，并即时将这些数值呈现出来，以确保供水过程中温度的适宜性和稳定性。

3 无线智能终端

无线智能终端作为供水系统的核心数据中枢，具有实时数据采集和接收、远程控制和指令调整、数据处理与分析、异常监测与警报触发、数据存储与历史记录以及报告生成与综合信息展示等关键功能。它可以实时采集泵房内各设备的运行参数和数据，并将其传输至云平台，确保数据的准确性和及时性。通过云平台远程控制和指令调整内部设备，通过控制水泵的启停和出水流量调节，实现对供水系统的远程监控和智能控制，提高水泵机组运行的灵活性和效率。

4 云平台数据分析和远程调控

4.1 历史数据分析与关系模型功能

云平台利用历史数据分析，揭示供水系统中压力与供水需求之间的潜在关系。通过大数据分析技术，识别不同时间段、用水量等因素对泵房出水压力和用水末端压力的影响，建立精确的关系模型，具体包括数据收集整理，预处理，特征提取，关系模型构建，验证优化，实际应用。云平台通过从历史数据中挖掘信息，实现准确的压力与供水需求预测，为供水系统提供重要支持。

4.2 实时监测数据与供水需求预测

云平台结合实时监测数据和历史关系模型，准确地预测当前的供水需求。通过实时监测压力和温度的关键参数，能够即时更新模型参数，更精确地应对供水需求的变动。此外，基于平台的预测结果，下发指令给无线智能终端，可以实时调控供水策略，如水泵的操作和水压调整，进一步确保供水的稳定性并降低能源浪费。

4.3 智能调压和供水控制

云平台通过不断监测和收集末端用水压力值和用水需求，实时下发指令到智能终端，调节泵房设备的工作状态，以实现按时、按区、按需供水，保障用水末端用户的用水体验。

系统根据末端压力值和用水需求的不同变化，自动控制泵房设备的启停、调速和阀门开关等。当末端压力值低于标准要求时，系统会自动启动泵房设备或提高水泵运行速度，并根据需求调节水泵的运行速度或阀门的开关程度，以提高末端压力。当末端压力值超过标准要求时，系统会自动停止泵房设备的运行或降低水泵运行速度，以避免压力过高。

同时，系统还可以根据用水需求的变化，自动调节泵房设备的工作状态。当用水需求较大时，系统会增加泵房设备的运行速度或阀门的开关程度，以增加供水流量。当用水需求减少时，系统会降低泵房设备的运行速度或阀门的开关程度，以减少供水流量。这样可以有效地提供符合用户需求的用水量，避免过量供水或供水不足的问题。云平台及控制系统应用功能结构如图2 所示。

图2 云平台及控制系统应用功能结构图

通过云平台和供水控制系统的应用，可以实现用水的精确控制，提高供水的稳定性和可靠性，减少供水波动对末端用户的影响。同时，降低能耗和维护成本，提高供水系统的运行效率和经济性。

4.4 故障检测和预警

故障检测和预警系统利用大数据分析技术，对泵房设备的运行状态进行持续监测和分析。无线智能终端会采集泵房设备的各种运行参数，如水泵的运行电流、电压、温度、振动等，并将这些数据实时上传云平台并进行实时分析和比对。

云平台通过建立泵房设备的运行模型和故障特征库，可以对设备的运行状态进行实时监测，并根据设备的工作特征和故障模式进行故障预测，一旦系统检测到泵房设备出现异常或接近故障状态，会立即发出预警信号。

预警信息可以通过云平台、手机APP、短信等方式发送给相关人员，包括维修人员、运维管理人员等，以便及时采取修复措施。相关人员可以根据预警信息了解到故障的具体情况，提前准备所需的备件和工具，并及时赶到现场进行维修，这样可以最大程度地减少故障修复的时间，避免供水中断和影响供水水质等问题的发生。

故障检测和预警系统的应用可以提高泵房设备的可靠性和稳定性，减少故障对供水系统的影响。同时，还可以降低维修成本和人力资源的浪费，提高运维效率和供水管理的水平。

4.5 爆管侦测

供水水管由于管道突发性爆管引起的压力变化值ΔP可以用以下公式简易估算：

式中：ΔP：为爆管引起的压力变化值，单位Pa；ρ：为流体密度，单位kg/m3；u：为负压波在管道内的传播速度，单位m/s；vL：为爆管时管道流速，单位m/s；v0：为爆管前初始流速，单位m/s；g：为重力加速度，单位m/s2。

依据文献[3]中的实验数据，管道爆管后，其管道内压力波在传播中逐渐衰减，而最终的稳态压降明显较小。采用0.1Hz 的采样频率，能测到过渡期压降，测点间距需在250～500m 范围。

本文采用的无线智能压力表具备最小4S 的采样周期，能对测点500m 以内的压降过程进行有效检测，同时无线智能压力表具备压力突变前后10 个采样周期内的数据进行锁存，数据打包，快速通过无线网络发到数据平台。

4.6 爆管控制策略

供水管网中爆管是一种常见事故。导致爆管的原因主要有几种：①管道使用超过规定年限或没有及时得到巡检，引起管道破损，而导致管道爆管；②管道材质、生产工艺等因素无法承受温差变化，导致管道或附属设施断裂，而引起爆管；③其他的一些人为原因。

小区供水系统的爆管事故发生后，不仅造成饮用水资源的大量流失，影响人们正常的生产和生活，情况严重时甚至危及其他的管线设施，如造成停电、中断通讯等突发性事件。因此消除事故的对策，以及爆管后的抢修工作也不容忽视。减少抢修时间缩小停水范围可将因爆管而造成的损失降为最小。

平台根据无线智能压力表检测的异常数据进行分析，并根据爆管数据模型进行比对、判断，给出爆管预警。工作人员确定爆管信号后，平台根据压力数据，采用深度优先的搜索算法进行爆管事故分析，获取最优关阀方案，该算法不仅能应用在单事故点，也能在供水管网系统同时出现多个事故点时给出最优关阀方案。

平台的该功能提供了爆管之后人力查阅图纸的方法来确定抢修方案，不仅降低了工作量，提高准确性，而且缩短了抢修时间，减少了由此造成的经济损失，节约了水资源。

5 结果与分析

5.1 调控效果对比

根据某高校2023 年6 月18 日至19 日的供水历史数据（如图3、图4），通过末端压力优化的模拟，比较与现有出口恒压控制的数据对比，现有末端压力优化可以较好地保证末端压力的平稳度。

图3 出口恒压控制

图4 末端压力优化控制

5.2 数据分析

从模拟结果可见，在满足用户用水的需求下，采用末端压力优化方法能够较好地稳定二次供水末端压力，使用户有更好的用水体验，同时兼顾事故侦测和预警，减少事故发生及水资源浪费。特别是在高层小区的供水中，末端压力优化更具急迫性和实用性。